電解（Electrolysis）是將電流通過(guò)電解質(zhì)溶液或熔融態(tài)電解質(zhì)（電解液），在陰極和陽(yáng)極上引起氧化還原反應(yīng)的過(guò)程，電化學(xué)電池在外加直流電壓時(shí)可發(fā)生電解過(guò)程。

基本原理

這是一個(gè)電解槽，其中插入了陰極和陽(yáng)極，外部還有一個(gè)電源：

電解設(shè)備示意圖

電解槽中放入電解質(zhì)，電解質(zhì)溶液就會(huì)在電流的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程就是電解。利用電解反應(yīng)，可以去除水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。

電解法的基本原理與過(guò)程是比較復(fù)雜的，其中涉及到了電解的氧化還原、電絮凝以及電解氣浮等過(guò)程，接下來(lái)會(huì)逐一的進(jìn)行介紹。

氧化還原反應(yīng)

電解食鹽水

由于電解槽的陽(yáng)極與電源的正極連接，可以將電子傳遞給電源，因此陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)。可以直接氧化水中的污染物，陽(yáng)極的OH-會(huì)被氧化為氧氣，Cl-被氧化為氯氣，兩者均有氧化能力，也能對(duì)水中的污染物進(jìn)行氧化。

陰極與電源負(fù)極連接，從電源接受電子，起到還原作用?？梢灾苯舆€原水中的部分污染物，陰極的H+被還原為氫氣，氫氣的還原能力很強(qiáng)，同樣可以還原水中的部分污染物。

電絮凝

如果電解槽中的陽(yáng)極采用鐵板或鋁板，由于電化學(xué)的腐蝕作用，其中的鐵離子或鋁離子在通電后就會(huì)進(jìn)入水中，進(jìn)一步水解生成羥基配合物，起到混凝劑的作用，將廢水中的懸浮物和膠體通過(guò)混凝加以去除。

關(guān)于鋁離子的水解可以查看之前的《水的混凝機(jī)理和混凝過(guò)程》進(jìn)行了解。

電解氣浮

電解池中陽(yáng)極會(huì)產(chǎn)生氧氣，陰極會(huì)產(chǎn)生氫氣，這些氣體會(huì)以微氣泡的形式溢出。這些氣泡的比表面積很大，在上升過(guò)程中可以粘附水中的雜質(zhì)，產(chǎn)生氣浮的作用。

關(guān)于氣浮的相關(guān)內(nèi)容可以看這里《氣浮工藝概述》。

法拉第電解定律

在電解的過(guò)程中，理論耗電量可以使用法拉第電解定律進(jìn)行計(jì)算。

法拉第大家應(yīng)該都知道，電學(xué)和交流電之父，那么法拉第電解定律是啥呢，其實(shí)就是法拉第定律，一是在電極界面上發(fā)生化學(xué)變化物質(zhì)的質(zhì)量與通入的電量成正比；二是通電于若干個(gè)電解池串聯(lián)的線路中，當(dāng)所取的基本粒子的荷電數(shù)相同時(shí)，在各個(gè)電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，其物質(zhì)的量相同，析出物質(zhì)的質(zhì)量與其摩爾質(zhì)量成正比。

伴隨著電解的過(guò)程，電極上析出或溶解的物質(zhì)質(zhì)量與通過(guò)的電量成正比，計(jì)算公式如下：

當(dāng)我們知道電流強(qiáng)度和通電時(shí)間時(shí)，就可以計(jì)算出理論上析出的物質(zhì)質(zhì)量。

還是那句話，理論歸理論，實(shí)際操作中，由于電解過(guò)程還存在某些副反應(yīng)，因此實(shí)際的耗電量是要比理論值大很多的。用于目標(biāo)物質(zhì)析出的電量只占總電量的一部分，其占用的比例即為電流效率。

翻騰式電解槽

電解法中的電解槽形式多種多樣，這里以應(yīng)用比較廣泛的翻騰式電解槽為例。

翻騰式電解槽結(jié)構(gòu)示意圖

電解槽中設(shè)置有幾組陰、陽(yáng)電極，分組懸掛在吊管上，中間用導(dǎo)流板隔開(kāi)。

水流從電解槽的右邊進(jìn)入，從左邊流出，水流方向與極板板面平行。水流進(jìn)入電解槽后在極板間作上下翻騰流動(dòng)，產(chǎn)生電解反應(yīng)。

電解法的應(yīng)用

電解法在水處理中有廣泛的應(yīng)用，常用于含鉻、含氰等無(wú)機(jī)廢水的處理，以及染料、印染等有機(jī)廢水的處理，還可用于電解消毒。

這里以含鉻廢水為例，介紹一下電解法在其中的應(yīng)用。

先看一下陽(yáng)極，假如陽(yáng)極采用鐵電極，在電解過(guò)程中電極會(huì)溶解產(chǎn)生Fe2+，具有很強(qiáng)的還原性，在酸性條件下會(huì)將廢水中的Cr6+還原為Cr3+，以上反應(yīng)方程如下所示：

還原一個(gè)Cr6+，需要3個(gè)Fe2+，理論上陽(yáng)極鐵板的消耗的質(zhì)量應(yīng)該是被處理的Cr6+的3.22倍。忽略電解過(guò)程中副反應(yīng)消耗的電量以及陰極直接還原的情況下，理論上來(lái)說(shuō)，1A·h的電量可以還原0.3235g的鉻。

在陰極，H+獲得電子被還原成氫氣，廢水中的Cr6+直接被還原成Cr3+，其反應(yīng)方程如下：

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，廢水中H+濃度逐漸降低，堿性逐漸增加，Cr3+和Fe3+，就會(huì)以氫氧化物的形式沉淀下來(lái)，從廢水中去除，反應(yīng)如下：

結(jié)合以上的反應(yīng)過(guò)程我們可以看到，電解時(shí)陽(yáng)極的溶解產(chǎn)物Fe2+是將Cr6+還原成Cr3+的重要因素，陰極則是次要因素。

結(jié) 語(yǔ)

電解法具有效果穩(wěn)定可靠，操作慣例簡(jiǎn)單，設(shè)備占地面積小等有優(yōu)點(diǎn)。但其需要消耗電能和鋼材等，整體的運(yùn)行費(fèi)用也是比較高的。這里需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。

來(lái)源：百家號(hào) 文：小白科普水處理